En Multimodal Imaging- och stimulering baserad metod för att utvärdera Connectivity relaterade hjämretbarhet i patienter med epilepsi

Summary

Resting-state functional-connectivity MRI has identified abnormalities in patients with a wide range of neuropsychiatric disorders, including epilepsy due to malformations of cortical development. Transcranial Magnetic Stimulation in combination with EEG can demonstrate that patients with epilepsy have cortical hyperexcitability in regions with abnormal connectivity.

Abstract

Resting-state functional connectivity MRI (rs-fcMRI) is a technique that identifies connectivity between different brain regions based on correlations over time in the blood-oxygenation level dependent signal. rs-fcMRI has been applied extensively to identify abnormalities in brain connectivity in different neurologic and psychiatric diseases. However, the relationship among rs-fcMRI connectivity abnormalities, brain electrophysiology and disease state is unknown, in part because the causal significance of alterations in functional connectivity in disease pathophysiology has not been established. Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a technique that uses electromagnetic induction to noninvasively produce focal changes in cortical activity. When combined with electroencephalography (EEG), TMS can be used to assess the brain’s response to external perturbations. Here we provide a protocol for combining rs-fcMRI, TMS and EEG to assess the physiologic significance of alterations in functional connectivity in patients with neuropsychiatric disease. We provide representative results from a previously published study in which rs-fcMRI was used to identify regions with abnormal connectivity in patients with epilepsy due to a malformation of cortical development, periventricular nodular heterotopia (PNH). Stimulation in patients with epilepsy resulted in abnormal TMS-evoked EEG activity relative to stimulation of the same sites in matched healthy control patients, with an abnormal increase in the late component of the TMS-evoked potential, consistent with cortical hyperexcitability. This abnormality was specific to regions with abnormal resting-state functional connectivity. Electrical source analysis in a subject with previously recorded seizures demonstrated that the origin of the abnormal TMS-evoked activity co-localized with the seizure-onset zone, suggesting the presence of an epileptogenic circuit. These results demonstrate how rs-fcMRI, TMS and EEG can be utilized together to identify and understand the physiological significance of abnormal brain connectivity in human diseases.

Introduction

Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) är ett sätt att icke-invasivt stimulera regioner cortex via elektromagnetisk induktion. I TMS, är en stor men rumsligt begränsad magnetflöde som används för att inducera ett elektriskt fält i ett mål kortikal område, och därigenom modulera aktiviteten hos den underliggande nervvävnad. TMS till motoriska cortex leder motor framkallade potentialer som kan mätas perifert via elektromyografi (EMG). När den appliceras i par eller trillingar pulser, kan TMS användas för att bedöma aktiviteten av specifika intrakortikal GABAergic och glutaminerg kretsarna ^1-3, och därmed bedöma balansen mellan excitation och hämning in vivo i humana patienter. I epilepsi specifikt har TMS studier visat att kortikala hyperexcitabilitet förekommer i patienter med epilepsi ^4,5, och kan normaliseras med framgångsrika antiepileptiska läkemedelsbehandling och därmed förutsäga svar på medicinering ^6. Vidare, TMS åtgärder kortikala excitability visar mellanliggande värden hos patienter med en enda anfall ⁷ och syskon till patienter med både idiopatisk generaliserad och förvärvade bränn epilepsi ^8. Dessa fynd tyder på att TMS åtgärder kortikala retbarhet kan tillåta oss att identifiera yrkeskarriär och för epilepsi. Men känsligheten och specificiteten hos dessa åtgärder begränsade, troligen på grund av TMS-EMG endast kan bedömas med stimulering av motoriska kortikala kretsar, och många patienter med epilepsi har anfall fokus utanför motoriska cortex.

Elektroencefalografi (EEG) ger en möjlighet att direkt mäta cerebral svar på TMS, och kan användas för att bedöma cerebral reaktivitet över stora delar av neocortex. Studier integrerar TMS med EEG (TMS-EEG) har visat att TMS producerar vågor av aktivitet som genljuder i hjärnbarken ^9,10 och som är reproducerbara och tillförlitliga ^11-13. Genom att utvärdera utbredningen av framkallade aktiviteti olika beteendetillstånd och i olika uppgifter, har TMS-EEG använts för att kausalt sondera dynamiska effektiv anslutning av mänskliga hjärnan nätverk ^10,14-16. TMS-EEG åtgärder har visat signifikanta förändringar i sjukdomar som sträcker sig från schizofreni ¹⁷ till ADHD ^18, och i störningar i medvetandet såsom ihållande vegetativt tillstånd ^19. Dessutom har flera grupper identifierat EEG korrelat av den parade puls TMS-EMG variabler som är onormala hos patienter med epilepsi ^20,21. Av särskild betydelse har tidigare studier också föreslagit att onormal stimulering-framkallade EEG-aktivitet ses hos patienter med epilepsi ^22-25.

Ett annat sätt att utvärdera hjärnkretsar är via vila-tillstånd funktionell anslutning MRI (rs-fcMRI), en teknik som utvärderar de korrelationer över tiden i blodets syresättning nivåsignalen från olika hjärnregioner ²⁶ beroende (fetstil). studier med användning avrs-fcMRI har visat att den mänskliga hjärnan är organiserad i olika nätverk av samverkande regionerna ^26-29, att neuropsykiatriska sjukdomar kan förekomma inom specifika storskaliga distribuerade neurala nätverk identifieras av RS-fcMRI ^30, och att hjärnan nätverk identifieras via RS- fcMRI är ofta onormalt i neuropsykiatriska sjukdomstillstånd ^31,32. När det gäller potentiella kliniska applikationer, har RS-fcMRI flera fördelar jämfört med konventionell uppgiftsbaserade fMRI applikation ^33, inklusive mindre beroende av ämne samarbete och oro över variabel prestanda. Följaktligen har det nyligen varit en explosion av studier för att undersöka rs-fcMRI förändringar i olika sjukdomstillstånd. Emellertid är en av begränsningarna av rs-fcMRI av svårigheten att avgöra om och hur korrelationer (eller anticorrelations) i BOLD signalen hänför sig till de elektrofysiologiska interaktioner som ligger till grund för neuronal kommunikation. Ett relaterat problem är att det är often oklart om RS-fcMRI förändringar som ses i olika sjukdomstillstånd har fysiologisk betydelse. I synnerhet när det gäller epilepsi, är det oklart om avvikelser i RS-fcMRI beror enbart Interiktal epileptiforma transienter, eller existerar oberoende av sådana elektro avvikelser; samtidig EEG-fMRI behövs för att utvärdera mellan dessa möjligheter ^34.

Som TMS kan användas för att producera tillfälligt eller varaktigt förändringar i aktiveringar av olika kortikala regioner, TMS studier ger ett medel för att kausalt bedöma betydelsen av olika vilande-state fMRI anslutningsmönster. Ett sätt är att använda RS-fcMRI att styra terapeutiska stimulering insatser i olika sjukdomstillstånd; Det kan förväntas att TMS riktad mot regioner som är funktionellt kopplade till områden kända för att vara inblandade i olika sjukdomstillstånd är mer sannolikt att vara terapeutiskt effektiv än TMS inriktade på områden utan sådan funktional anslutning och faktiskt flera studier har funnit preliminära bevis för detta ^35,36. Ett annat tillvägagångssätt skulle innebära användning av TMS-EEG till kausalt bedöma den fysiologiska betydelsen av olika vilande-state fcMRI mönster. Specifikt kan man testa hypotesen att regioner som uppvisar onormal funktionell uppkoppling i ett visst sjukdomstillstånd ska visa ett annat svar på stimulering hos patienter än hos friska försökspersoner, och att dessa fysiologiska avvikelser förekommer specifikt (eller huvudsakligen) med stimulering av onormalt anslutna regionen.

För att illustrera ovanstående, ger vi ett exempel på en färsk studie där rs-fcMRI, TMS och EEG kombinerades för att utforska kortikala hyperexcitabilitet hos patienter med epilepsi på grund av utvecklings hjärnan abnormitet periventrikulär nodulär heterotopia (PNH) ^37. Patienter med PNH närvarande kliniskt med adolescent- eller en vuxen debuterande epilepsi, läshandikapp och normal Intelligence, och har onormala knölar av grå substans i anslutning till de laterala ventriklama på hjärnavbildning ^38,39. Tidigare studier har visat att dessa periventrikulära knölar av heterotopisk grå substans är strukturellt och funktionellt kopplad till diskreta härdar i hjärnbarken ^40,41, och att epileptiska anfall kan härröra från hjärnbarkens regioner, heterotopisk grå, eller båda samtidigt ^42, vilket tyder på att epileptogenes i dessa patienter är ett krets fenomen. Genom att använda vilande tillstånd fc-MRI för att vägleda TMS-EEG, visade vi att patienter med aktiv epilepsi på grund av PNH har bevis för kortikal hyperexcitabilitet, och att detta hyperexcitabilitet verkar vara begränsat till regioner med avvikande funktionell anslutning till de djupa knölar.

Protokollet genomförs i två separata sessioner. Under den första sessionen, är strukturella och vilande tillstånd blod syresättning nivåberoende (BOLD) kontrast MRI sekvenser förvärvas(För patienter), eller bara strukturella MRI sekvenser (för friska kontroller). Mellan den första och andra sessioner, vilar state analys funktionell anslutning används för att definiera kortikala mål för patienterna, och MNI koordinater för dessa mål uppnås. Motsvarande kortikala mål (baserade på MNI koordinater) identifieras därefter för varje friska kontroll ämne. I den andra sessionen, är TMS-EEG uppgifter som erhållits.

I exemplet i detta dokument, var funktionell anslutnings MRI analyser utförs med hjälp av en intern programvara verktygslåda och MRI programvara ^43,44. Neuro-navigerat TMS utfördes med en transkraniell magnetisk stimulator med realtids MRI neuro. EEG spelades in med en 60-kanals TMS-kompatibla system, som utnyttjar en sample-and-hold krets för att undvika förstärkare mättnad av TMS. EEG-data analyserades med hjälp av egna skript och EEGLAB verktygslåda ⁴⁵ (version 12.0.2.4b) den körs i MATLAB R2012b.

Protocol

Protokollet som beskrivs här godkändes av institutionella prövningsnämnder i Beth Israel Deaconess Medical Center och Massachusetts Institute of Technology. 1. Med förbehåll Val Patientens val för forskningsprotokoll. Identifiera patienter med aktiv epilepsi (anfall inom det senaste året) eller en historia av fjärr epilepsi (tidigare anfall, men utan anfall under de senaste fem åren på eller utanför medicinering) och periventrikulär nodulär heterotopia på s…

Representative Results

Vila-state funktionell uppkoppling fMRI kan användas för att identifiera områden av hjärnbarken som visar hög funktionell uppkoppling med heterotopiska periventrikulära grå hjärnsubstans knutor (Figur 1), och kontrollregioner utan sådan anslutning. För att avgöra om en sådan onormal funktionell uppkoppling har fysiologisk betydelse, kan den kortikala regionen med korrelerad vilande tillstånd aktivitet väljas som "Ansluten" målplatser för neurona…

Discussion

Vila-state funktionell anslutning MR har använts för att identifiera nätverksanslutning i den mänskliga hjärnan, och att identifiera förändringar av anslutningsmöjligheter som förekommer i olika sjukdomstillstånd ^26,31,32. Men som fMRI funktionell anslutning bygger på att identifiera korrelationer i BOLD signalen, och som blodets syresättning förändringar har en icke-trivial relation med underliggande neural aktivitet, orsaks betydelse och fysiologiska betydelsen av dessa fMRI anslutnings fynd ?…

Materials

3T MRI scanner
MRI functional connectivity software
MRI image viewing software			MRICron
Transcranial Magnetic Stimulator	Nexstim	eXimia Stimulator	Can use stimulators from other suppliers e.g. Magventure, Magstim
MRI neuronavigation system	Nexstim	NBS v3.2.1	Alternative MRI neuronavigation system e.g. Brainsight, Localite
TMS-compatible EEG system	Nexstim	Eximia EEG	Alternatives: Brain Products, Synamps, ANT
Matlab	Mathworks	R2012b	Alternatives: Octave
EEGLab
Minimum Norm Estimate (MNE) software
FreeSurfer